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1、Wang Kai FangWang Kai Fang PhD PhD 方王楷 方王楷 wkfang wkfang Department of biochemistry and Molecular Biology Shantou University Medical College Biochemistry 生物化学生物化学 绪绪 论论 什么是生物化学 就是研究生命化学的科学 它运用化学 原理和方法从分子水平探讨生命现象的本质 研究方法 主要采用化学的原理和方法 同时也与生 理学 细胞学 遗传学相联系和交叉 研究内容研究内容 一 生物分子的结构与功能 探讨生物体的物质组成以 及分子结构 性质和功
2、能 二 物质代谢及其调节 物质代谢的规律 能量转化及 其调节控制 属静态生化 三 基因信息传递规律及其调控 DNA复制 RNA转录 蛋白质翻译 基因表达调控等 n通常将生物大分子结构 功能及其代谢调控的研究称为分子生物学 生物 大分子的来龙去脉 属动态生化 生物化学的发展简史 w起始阶段 18世纪 20世纪初 研究了脂类 糖类及氨基酸 发现了核酸 酵母发酵中的 可 溶性催化剂 酶的概念等 w快速发展阶段 20世纪初 下叶 必需氨基 酸 维生素的发现 酶的蛋白质本质揭示 多种激 素的发现 主要物质代谢途径的确定等 w分子生物学的崛起阶段 20世纪下叶 分子生物学的重要事件 w 50年代 蛋白质
3、螺旋结构的发现 53年Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构模 型 分子生物学的里程碑 中心法则的提出 遗传 密码的破译 w 70年代 DNA重组技术 基因工程 基因诊断 基因治疗的发展 w 80年代 核酶 ribozyme PCR技术等 w 90年代 人类基因组计划 约3 0 109碱基 2 3万个基因 后基因组时代 蛋白质组学 生 物信息学 生物化学 一门新兴的边缘学科 是医学的主要基础课程之一 三理一化 交叉渗透到医学各学科 与临床医 药学关系密切 发展为分子免疫学 分子遗传学 分子病 理学 分子药理学等新学科 研究热点 疾病相关基因克隆 基因诊 断 基因治疗 第一篇第一篇 生物
4、大分子的生物大分子的结构结构与与功能功能 一 蛋白质 protein 二 核酸 nuclear acids 三 酶 enzyme 第第 一一 章章 蛋白质的结构和功能蛋白质的结构和功能 Structure and Function of ProteinStructure and Function of Protein 第一节第一节 蛋白质的化学组成蛋白质的化学组成 第二节第二节 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构 第三节第三节 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系 第四节第四节 蛋白质的理化性质 分离 纯化蛋白质的理化性质 分离 纯化 一 什么是蛋白质 蛋白质 protein 是由许多氨
5、基酸 amino acids 通过肽键相连形成的高分子含氮化合物 二 蛋白质的生物学重要性 1 蛋白质是生物体重要组成成分 分布广 所有器 官 组织都含有蛋白质 细胞的各个部 分都含有蛋白质 含量高 蛋白质 是细胞内最丰富的有机分子 占人体干 重的45 某些组织含量更高 例如脾 肺及横纹肌等高达80 Proteins make up all living materials 1 作为生物催化剂 酶 2 代谢调节作用 3 免疫保护作用 4 物质的转运和存储 5 运动与支持作用 6 参与细胞间信息传递 2 蛋白质具有重要的生物学功能 碳 C 50 55 氢 H 6 8 氧 O 19 24 氮 N
6、13 19 16 N g 6 25 样品Pro含量 硫 S 0 4 少量的 P Fe Cu Zn I 第一节第一节 蛋白质的化学组成蛋白质的化学组成 元素组成 蛋白质元素组 成的特点 一 氨基酸 amino acid 蛋白质的构件分子 building blocks H N 3 H Amino group Carboxylic group 氨基酸结构通式 COO Ca R group 氨基酸的种类 w1809年发现Asp 1938年发Thr 目前已发现 300多种 w构成蛋白质的20种氨基酸的结构特点 1 均为L 氨基酸 各种aa的R侧链各不 相同 2 碳原子上均连有一个氨基 脯氨酸除 外 3
7、 碳原子为手性碳原子 甘氨酸除外 脯氨酸属于L 亚氨基酸 而甘氨酸则属于 氨基酸 丙氨酸的两种立体异构体 构型 分子中各原 子或基团之间的连 接方式称为分子的 构型 组成蛋白质的氨基 酸除Gly以外都有手 性碳原子 在三维 空间上就有两种不 同的排列方式 它 们互为镜影 这两 种不同的构型分别 称为D 型和L 型 一 氨基酸的分类 根据氨基酸侧链 基团的结构和理化性质 分为4类 1 非极性疏水性氨基酸 2 极性中性氨基酸 3 酸性氨基酸 4 碱性氨基酸 1 7个非极性疏水性氨基酸 甘氨酸 Gly 丙氨酸 Ala 缬氨 酸 Val 亮氨酸 Leu 异亮氨酸 Ile 苯丙氨酸 Phe 脯氨酸 Pr
8、o 2 8个极性中性氨基酸 R 基含有极性基团 生理pH 条件下不解离 即不带电荷 酪氨酸 Tyr 色氨酸 Trp 丝氨酸 Ser 半胱氨酸 Cys 蛋氨酸 Met 天冬酰胺 Asn 谷氨酰胺 Gln 苏氨酸 Thr 极性最强 4 3个碱性氨基酸 R 基有NH2 NH3 带正电荷 赖氨酸 Lys 精氨酸 Arg 组氨酸 His 组氨酸 His CHCHCH2CH NH3 COO NH NH CH 咪唑基 精氨酸 Arg 胍基 CNH2 NH2 NHCH2CH2CH2CH NH3 COO 3 2个酸性氨基酸 R 基有COOH COO 带负电荷 甘氨酸 Gly 无光学活性 几种特殊氨基酸 脯氨酸
9、Pro 亚氨基酸 半胱氨酸 Cys 胱氨酸二硫键 HH 苯丙氨酸Phe 酪氨酸Tyr 和色氨酸Trp 蛋白质质分子中Phe Tyr和Trp残基的存在使得蛋白质质 在近紫外区 220 300nm 有特征性吸收 苯丙氨酸的 max 257nm 酪氨酸的 max 275nm 色氨酸的 max 280nm 名名 称称 三字符三字符 单字符单字符 名名 称称 三字符三字符单字符单字符 丙氨酸 alanine Ala A 亮氨酸 leucine Leu L 精氨酸 arginine Arg R 赖氨酸 lysine Lys K 天冬酰胺 asparagine Asn N 甲硫氨酸 methionine M
10、et M 天冬氨酸 aspartic acid Asp D 苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 半胱氨酸 cysteine Cys C 脯氨酸 proline Pro P 谷氨酰胺 glutanine Gln Q 丝氨酸 serine Ser S 谷氨酸 glutamic acid Glu E 苏氨酸 threonine Thr T 甘氨酸 Glicine Gly G 色氨酸 tryptophan Trp W 组氨酸 histidine His H 酪氨酸 tyrosine Tyr Y 异亮氨酸 isoleucine Ile I 缬氨酸 valine Val V 氨基酸残基侧链修
11、饰氨基酸残基侧链修饰 有些氨基酸没有相应的遗传密码 而是在肽链 从核糖体释放后经化学修饰形成的 如胶原蛋白中 含有大量的羟脯氨酸和羟赖氨酸 分别是脯氨酸和 赖氨酸经羟化而成的 有些蛋白质中的天冬酰胺 丝氨酸和苏氨酸发生糖基化形成糖蛋白 丝氨酸磷 酸化成为磷酸丝氨酸 蛋白质共价修饰 Group AddedTarget Residue s Reversibility PhosphorylSer Thr Tyr HisYes MethylLys ArgYes AcetylLys N terminusYes Lys HydroxylPro LysNo CarboxylGluNo SugarsSer T
12、hr hydroxypro AsnNo MyristylCys HisNo GlycophospholipidC terminusNo PrenylCysNo ADP riboseGlu Asp COOH LysYes DipthamideHisNo UbiquitinLysYes SumoLysYes 蛋白质磷酸化 w Phosphorylation is a highly effective means of regulating the activity of target proteins w 30 eukaryotic proteins are phosphorylated w Pr
13、otein kinases The enzymes that catalyze phosphorylation reactions one of the largest protein families 100 in yeast 500 in human beings w Kinases specificity Ser Thr kinases acceptor is OH of Ser or Thr Tyr kinases acceptor is OH of Tyr w Tyr kinases are unique to multicellular organisms important in
14、 growth regulation Tyr kinase mutations often occur in cancer cells Protein Phosphorylation Dephosphorylation Phosphorylation 磷酸化使蛋白质带上强烈负电基团磷酸化使蛋白质带上强烈负电基团 Protein Glycosylation Common in Eukaryotic Proteins N N 连接糖蛋白的糖基化位点为连接糖蛋白的糖基化位点为Asn X Ser ThrAsn X Ser Thr O O 连接糖蛋白 糖蛋白糖链与蛋白部分的丝连接糖蛋白 糖蛋白糖链与蛋白
15、部分的丝 苏氨酸残基的羟基相连苏氨酸残基的羟基相连 二 氨基酸的理化性质 OH H OH H pH pI pH pI 1 氨基酸是两性电解质 其解离程度取决于所处溶 液的酸碱度 阳离子阴离子 氨基酸的兼性离子 K1 K2 除碱性氨基酸外 其余氨基酸等电点均小于7 pI 1 2 pK1 pK2 若一个aa有3个解离基因 则其pI为兼性离子两边pK 的平均值 等电点 isoelectric point pI 在某一pH的溶液中 氨基酸解离成阳 离子和阴离子的趋势及程度相等 成为兼 性离子 呈电中性 此时溶液的pH值称为 该氨基酸的等电点 氨基酸的解离常数可通过测定滴定曲线求得 2 紫外吸收性质 色
16、氨酸和酪氨酸在280nm波长附近对紫外光有 最大吸收峰 据此可以通过测定蛋白质溶液280nm的吸光值 快速测定其蛋白质含量 3 茚三酮反应 aa与水合茚三酮一起加热 生成蓝紫色的化合物 在570nm处有最大吸收 据此亦可用作aa含量分析 一 肽与肽键 二 肽 一个氨基酸的 羧基与另一个氨基酸的 氨基脱去一分子水缩合形成的键称肽键 peptide bond C O HO CH3 NH2 H C HO C O CH2 NH2 H C 丙氨酸苯丙氨酸 C O HO CH3 H C CH2 NH2 H C 肽键 NC O H 二肽 丙苯氨丙氨酸 肽peptide 氨基酸借肽键相连而形成的化合物 HisPhe二肽 CysThrLysMetHis 五肽 寡肽 oligopeptide 10个以内氨基酸连成 多肽 polypeptide 多个氨基酸连成的肽 其形 状为一条没有分支的长链 又称多肽链或肽链 氨基端 端 羧基端 C端 CysMet His LysSer ThrLeuNH2COOH 氨基酸在形成肽链时失去了一分子水 肽链 中的氨基酸分子不再完整 称为氨基酸残基 amino acid res
